关键词：数据库引擎 Java 嵌入式系统
引言
随着嵌入式系统CPU硬件从8位到32位的发展，嵌入式系统软件的开发环境也得到迅猛的发展，编程语言从10多年以前的汇编为主流发展到现在C、C++、Java为主流。另外，面向对象设计技术、组件技术等在嵌入式系统软件设计中的应用也日益引起人们的重视。
在嵌入式系统软件开发领域，Java是一门较新的异军突起的编程语言。其优点是语言本身简洁优美，完全按照面向对象思想设计，并且语言引入许多较为先进的特性，如多线程、自动内存管理和垃圾回收，非常适合于大规模复杂软件系统的开发。其不足点是与硬件结合不够紧密，同时代码运行速度较慢。此外，对于内存的使用，程序难于管理和控制。
由于采用Java编程具有如上所述的众多优点，越来越多的嵌入式系统采用Java技术来构造软件系统。本文在介绍基于日本某自动售货机产品的控制板的Java运行平台基础上，详细讨论笔者为其平台开发的DB引擎的组成和设计思路。
1 Java运行环境平台
图1所示为Java运行环境的总体框架示意图。本系统为克服Java的解释执行机制所引起的执行速度慢的问题，在硬件上采用了Sun公司开发的PICo Java芯片。它能够直接执行Java的二进制代码，使Java的执行速度提高一个数量级以上。在硬件层的上面是OS层，本系统采用的是ITRON（日本东京大学坂村键教授设计的一种嵌入式操作系统，虽然在日本以外的市场影响不大，但在日本本地市场，占有率达90%以上）。由于ITRON规格制定得比较早，并且为兼顾低端嵌入式应用的场合，ITRON总体上功能比较简单，并未把诸如TCP/IP、文件系统等内容包含在其里面，因此与嵌入式Linux等不一样的是，TCP/IP、文件系统是以独立的组件形式存在的。在OS层的上面是JVM层。与其它一般Java虚拟机不同的是，本系统的Java执行代码不需要由JVM解释执行，而是由CPU硬件直接执行。在JVM的上层是自动售货机的基础平台类库和公共组件层。本文介绍的DB引擎组件正是处于这一层。该层的上面是应用程序层，用于实现自动售货机的各种控制、管理机能。
2 嵌入式系统DB引擎
2.1 DB引擎组件的引入
众所周知，在台式机领域，DB是一个十分关键的基础软件。以往嵌入式系统的软件可能更侧重于与硬件的交互与控制，但随着对嵌入式系统功能需求的日益复杂化，嵌入式系统软件中，信息、数据的保存与管理的比重也日益增加。在这样的背景下，嵌入式系统软件开发中，通过引入DB组件，对实现软件整体框架结构的组件化与简单化，有着十分明显而重要的意义。
2.2 DB引擎组件的总体框架
如图2所示，将整个DB组件设计为3层结构，分别为JDBC接口层、SQL解释层和动作执行层。这3层之间呈单向依赖关系。也就是说，SQL解释层依赖于动作执行层，但动作执行层不依赖于其上面的两层，可以单独存在而直接被使用。如果用户以使用方便为主要目的，可采用完全配置方式，应用程序通过JDBC接口层存取数据。反之，如果用户对空间和效率要求较高，可仅配置动作执行层组件，应用程序直接调用动作执行层的API进行数据的检过和更新等操作。
（1）JDBC接口层
如前文所述是可选组件，旨在为应用程序提供一个标准的DB调用接口。
（2）SQL解释层
本DB组件实现的SQL解释层，只实现了标准SQL的一个小子集，主要完成select、delete、insert、update、create table、drop table等功能。其中数据操作语句（select、delete、insert、update）的解释要点之一是where条件子句的解释执行，类似于数学表达式求值算法。本文采用简单直观的“算符优先法”。该算法使用两个工作栈，一个称作OPTR栈，用以寄存运算符；另一个称作OPND栈，用以寄存操作数或运算结果。算法的基本思想是：
①首先置操作数栈为空，表达式起始符“#”为运算栈的栈底元素；
②依此读入表达式中每个Token。若是操作数，则进OPND栈adk是运算符，则和OPTR栈的栈顶运算符比较优先权后作相应操作，直至整个表达式求值完毕（即OPTR栈的栈顶元素和当前读入的Token均为“#”。
本文实现的SQL子集描述如下：
预定义
<DataConst>:=<QUOTE><日期><QUOTE>
<StrConst>:=<QUOTE><SQL转义文字><QUOTE>
<Const>:=<fiELD>[,<field>[,<field>[…]]]
<valuelist>:=<Const>[,<Const>[…] ]]
<compare>:= =│==│!=│<>│>│>=│<│<=
<setlist>:=<setitem>[,<setitem>[,<setitem>[…]]]
<统计函数名>：=MIN│MAX│COUNT│SUM
<统计函数>：=<统计函数>（<field>）
<统计list>:=<统计函数>，[，<统计函数>[，<统计函数>[…]]]
<数据类型>：=INT│UNMBER│CHAR│DATE
<Where文> ：=文递归定义式
<Where文>：=（<Where>）
<Where文>：=NOT<Where文>
<Where文>：=<Where文>OR<Where文>
<Where文>：=<Where文>AND<Where文>
SQL文定义式
①SELECT*|<fieldlist>FROM<table>[WHERE<Where文>][ORDER BY<field>[ASC|DESC]]
②SELECT<统计list>FROM<table>[WHERE<Where文>]
③UPDATE<table>SET<setlist>[WHERE<Where文>]
④INSERT INTO<table>[(<fieldlist>)]VALUES(<valuelist>)
⑤DELETE FROM<table>[WHERE<Where文>]
⑥CREATE TABLE<table>(<field><数据类型>[，<field><数据类型>[，<field><数据类型>[…]]])
⑦DROP TABLE<table>
注：|表示多选个，<>表示某定义项目，[]表示可选项目，…代表循环省略表示。
（3）动作执行层
动作执行层是整个DB组件的核心和关键，因为所有的DB操作最终都由该层完成，同时用户也可以跳过上面的两层，直接调用该层的API，以实现相同的数据操作功能。下面介绍其主要设计要点和思路。
2.3 数据的表达与存储
由于嵌入式系统的资源十分有限，不能引入复杂的算法和数据存储格式，同时由于Java对二进制数据的处理十分不便，本文最终采用CSV格式来保存表数据。其要点是：
①各字段数据之间采用「，」分开；
②如果字段数据本身包含有「，」，则将整个字段数据用引号「」括起来；
③如果字段数据本身包含有引号「”」，则将引号「”」改写为两个重叠的引号「””」，依次类推。其次，每个记录占文本文件的个行，每一个数据表与一个物理数据文件一一对应。
采用这种方式处理的优点是：
①全部数据都是采用字符串保存，Java处理起来十分方便；
②对不定长字段的保存处理与定长字段处理统一，不需要额外的附加处理，而且存储效率高；
③对多字节文字的处理程序不需要额外的编码转换处理，由JVM平台本身的功能可以自动完成。
当然，采用这种处理方式也存在其不足之处：
